Dynamics of the Photogenerated Hole at the Rutile TiO2(110)/Water Interface: A Nonadiabatic Simulation Study

作者
Georgios A. Tritsaris,Dmitry Vinichenko,Grigory Kolesov,C. M. Friend,Efthimios Kaxiras
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:118 (47): 27393-27401 被引量:41
标识
DOI:10.1021/jp508557w
摘要

Hydrogen production in photoelectrochemical cells constitutes an important avenue toward carbon-free fuel. The most convenient process for hydrogen production is the splitting of water molecules, which necessitates a catalytic reaction involving a semiconductor. Here, we introduce a framework for the study of photocatalyzed reactions on semiconductor surfaces based on time-dependent density functional theory that explicitly accounts for the evolution of electronically excited states. Within this framework, we investigate the possibility of hole-mediated splitting of molecularly adsorbed water on a representative metal oxide surface—the rutile TiO 2 (110). We find that oxidative dehydrogenation of water is possible in synergy with thermal effects at temperatures between 60 and 100 K only when defects like Ti interstitials are present in the subsurface region. This study presents a general computational strategy for describing photoexcited semiconductor/adsorbate interfaces and also demonstrates that the occurrence of water dissociation on the rutile TiO 2 (110) surface depends sensitively on the local atomic environment and external parameters such as temperature.

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